Att identifiera ett materials magnetiska struktur är en nyckel för att låsa upp nya funktioner och högre prestanda i elektroniska enheter. Dock, att lösa alltmer komplexa magnetstrukturer kräver alltmer sofistikerade tillvägagångssätt.

Forskare från Centrum för materialkristallografi vid Aarhus universitet, Danmark, är banbrytande för en ny teknik för att lösa mycket genomarbetade magnetiska strukturer med hjälp av neutroner vid Department of Energy's (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Deras mål är att utveckla tekniken-baserad på matematisk analys av stora tredimensionella diffraktionsdata-för att upprätta en grundlinje som kan anpassas till en bred klass av magnetiska material med olika strukturer.

"I magnetiska material, många av atomerna har ett magnetmoment, eller ett snurr, som fungerar som en mycket liten magnet. I typiska magneter, som kylskåpsmagneter, var och en av dem är inriktade i samma riktning och de kombineras för att bilda ett större magnetiskt ögonblick - som gör att vi kan hålla saker i vårt kylskåp. Det är ett exempel på en ordnad magnetstruktur, där ett specifikt mönster upprepas om och om igen, "sade Aarhus -forskaren Nikolaj Roth." Men vi är mer intresserade av störda system, eller frustrerad magnetism, där det inte finns någon magnetisk ordning på långt avstånd. Där det inte finns något fast snurrmönster, som upprepar sig. Det är här alla möjliga snygga saker händer. "

Även om "frustrerad" eller störd magnetism kan verka slumpmässig eller till och med kaotisk, "det är inte, "förklarade Roth. Det finns samband mellan snurren, om det bara är för en kort sträcka-känd som kortdistansmagnetisk ordning. Om de dynamiska egenskaperna hos frustrerad magnetism kan utnyttjas, dessa material kan användas för att utveckla ny elektronik med oerhört avancerade funktioner. Den där, självklart, beror på möjligheten att identifiera kortdistansrelationer i magnetiska material snabbare, mer effektivt, och i en mycket större skala.

"Några år sedan, vi utvecklade en ny teknik för att analysera data som gjorde det möjligt att se dessa kortdistansrelationer mycket enkelt, sa Roth.

I de tidiga experimenten, laget beräknade framgångsrikt de magnetiska korrelationerna i ett bixbyitprov-ett mangan-järnoxidmaterial som hittades i Utah. I detta uppföljningsexperiment, de använde bixbyit från Sydafrika som har ett annat förhållande mellan mangan och järn och därför har en något annorlunda magnetisk struktur.

"Vi får hjälp från Moder Natur genom att vi inte behöver syntetisera dessa material, de finns helt enkelt i marken, "sa forskaren Kristoffer Holm." Provet från Utah är cirka 50:50 järn till mangan, medan den från Sydafrika är mer som 70:30. De är mycket närbesläktade prover, och vi hoppas att de kan berätta hur skillnaderna i sammansättning kommer att påverka deras kortdistansrelationer. "

Neutroner är väl lämpade för att studera magnetiskt beteende eftersom partiklarna själva fungerar som små magneter. Neutroner kan penetrera många material djupare än andra kompletterande metoder; och eftersom de inte har någon avgift, de interagerar med prover utan att kompromissa eller skada materialet för att avslöja kritisk information om energi och materia i atomskala.

Av sig själva, rent järn och rena mangansammansättningar har beställt strukturer vid låga temperaturer, där deras snurr är inriktade i enlighet med ett specifikt upprepande mönster. Men när de kombineras, de blir störda och bildar ett "snurrglas" -tillstånd under 30 Kelvin (cirka minus 400 ° Fahrenheit), där ett komplext mönster av snurrjusteringar blir fixat.

Kortdistans magnetisk ordning har en svag signal och är svår att upptäcka med konventionella neutronspridningsinstrument. Dock, CORELLI -strållinjen vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS) ger ett högt flöde, eller stort antal neutroner, med en detektormatris som kan fånga stora datamängder snabbt och i oöverträffade detaljer. Med CORELLI, laget kunde kvantifiera det sydafrikanska bixbyitprovets magnetiska struktur för att göra jämförelser mellan det och materialets atomstruktur.

"CORELLI är det enda instrumentet i världen som kan göra detta experiment på det sätt som vi behöver att det ska göras. Det gör att vi kan mäta åt alla håll, även i höga vinklar, och det gör det väldigt snabbt, vilket är precis vad vi behöver för den teknik vi utvecklar, "sa forskaren Emil Klahn." Även om vi kunde göra det på en annan anläggning, det skulle ta veckor att göra vad vi har kunnat göra på bara några dagar. "

Teamet säger att med en fullt utvecklad teknik, de kommer att kunna studera liknande material som uppvisar bisarra och ovanliga beteenden eller materiella tillstånd; kandidatmaterial inkluderar kvantspinnvätskor, snurra is, och okonventionella supraledare. I tur och ordning, dessa insikter kan leda till ett brett spektrum av radikalt avancerade elektroniska applikationer.